李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering生物化學(xué)工程基礎(chǔ)

BiochemicalEngineering李強(qiáng)化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室2李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering9.1概述1.為什么要研究反應(yīng)器放大？反應(yīng)器放大是生產(chǎn)規(guī)模的需要小的反應(yīng)器、放大到大的反應(yīng)器，會出現(xiàn)很多問題

傳質(zhì)問題、傳熱問題、混合問題、設(shè)備問題反應(yīng)器放大是科學(xué)技術(shù)從實(shí)驗室推向產(chǎn)業(yè)化的必經(jīng)之路

實(shí)驗室規(guī)模－－中試規(guī)模－－生產(chǎn)規(guī)模3李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering生物反應(yīng)過程的研發(fā)包括三個不同規(guī)模的階段1利用實(shí)驗規(guī)模的反應(yīng)器進(jìn)行種子篩選、發(fā)酵反應(yīng)動力學(xué)和工藝條件的確定實(shí)驗；2在中間規(guī)模的反應(yīng)器上確定最佳的操作條件，驗證和改進(jìn)小試的結(jié)果；（中試）3在大型生產(chǎn)設(shè)備中投入生產(chǎn)。（產(chǎn)業(yè)化）4李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering

生物化學(xué)工程師的任務(wù)就是：要力求保持不同規(guī)模中的生物反應(yīng)有最佳的外部條件。這些外部條件包括

化學(xué)的：如基質(zhì)濃度、菌體濃度，

物理的：如傳質(zhì)特性、傳熱特性、混合能力、剪切力和功率消耗等，特別是物理條件與設(shè)備幾何特性等。5李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering理想的放大目標(biāo)1反應(yīng)器的比例一樣（樣子一樣）

2反應(yīng)器供氧一樣

3攪拌一樣4傳質(zhì)、傳熱、混合一樣

5各個參數(shù)都相同或者按照比例放大。能做到嗎？抓住主要矛盾?。。?，盡量滿足關(guān)鍵參數(shù)的一致6李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering

生物過程的關(guān)鍵的問題有：供氧滿足要求，剪切力不能過大，營養(yǎng)物質(zhì)和代謝物(包括產(chǎn)物)的質(zhì)量傳遞符合要求。

生物反應(yīng)器的設(shè)計放大主要解決的是：

設(shè)備幾何尺寸的放大，通氣量的確定，攪拌功率和攪拌轉(zhuǎn)速的確定。通常生物反應(yīng)器的設(shè)計放大是以反應(yīng)器幾何相似為前提，根據(jù)對象，以某個關(guān)鍵參數(shù)相等為原則進(jìn)行的。7李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering9.2細(xì)胞生物反應(yīng)器的放大設(shè)計1）幾何尺寸的放大

2）通氣量的放大3）攪拌功率和攪拌轉(zhuǎn)速的放大8李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering1）幾何尺寸的放大由幾何相似可知

V2/V1稱為放大倍數(shù)。幾何相似時，不同規(guī)模的設(shè)備的對應(yīng)尺寸均成比例。

有了大的發(fā)酵罐?。?！9李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering2）通氣量的放大(1)用單位體積培養(yǎng)液在單位時間（分鐘）里所通空氣量VVM表示其中

Qg

——

操作狀態(tài)下的空氣流量。

V

——

培養(yǎng)液體積。1)通氣量的表示10李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering

(2)用在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下反應(yīng)器單位面積上空氣流量ws表示(類似于空塔氣速)其中P罐絕對壓力+0.5×液位高

T罐溫KA罐的截面積m2

ws通?？梢杂肣g/A來計算（估算）

11李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering

(1)以VVM相等為原則其中：DT：為發(fā)酵罐內(nèi)徑。

Qg2：放大的發(fā)酵罐通氣流量有了大發(fā)酵罐通氣量?。?！成立的條件？2)放大方法12李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering(2)以ws相等為原則，則通氣量為(操作條件下)有了大發(fā)酵罐通氣量?。?！13李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering以VVM相等和以ws相等放大結(jié)果比較前提條件：幾何相似?。?！HT：發(fā)酵罐的高度如果以VVM相等14李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering如果以ws相等，則：前提條件：幾何相似？？15李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering3）攪拌功率和攪拌轉(zhuǎn)速的放大(1)以單位體積功率（不通氣）相等為原則大發(fā)酵罐攪拌轉(zhuǎn)速確定了?。?！大發(fā)酵罐攪拌功率確定了?。?！幾何相似!!!16李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering(2)以KLa相等為原則Michel經(jīng)驗式幾何相似17李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering由N1可以計算出N2再由N2可以分別計算出不通氣攪拌功率P通氣攪拌功率Pg18李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering9.3實(shí)際放大的例子某工廠在有效容積62升發(fā)酵罐上生產(chǎn)α-淀粉酶，要放大到有效容積12M3，試計算：

1)大罐主要幾何尺寸DT，Di，HL，Wb。

2)通氣量(Qg)2，表觀線速度ws。

3)攪拌功率(Pg)2，轉(zhuǎn)速N2。已知：發(fā)酵液：密度1010Kg/M3，粘度2.25×10-3Ns/M2；

小罐：(DT)1=0.375M,DT/Di=3，HL/DT=1.5，Wb/DT=0.1，裝液量62升，四片擋板，雙層六彎葉渦輪攪拌槳。轉(zhuǎn)速N1=350轉(zhuǎn)/min，通氣量VVM=1M3/M3.min19李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering解：1大罐的幾何尺寸確定(HL/DT=1.5)(裝液量0.6)(DT/Di=3)(Wb/DT=0.1)20李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering2大罐的通氣量與空氣線速度1）設(shè)，則21李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering所以可見(ws)2>>(ws)1，可能易引起液體夾帶和罐體震動。22李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering2）設(shè)(ws)2＝(ws)1＝const，已知(ws)1＝33.75m/h，所以

可見大罐很可能通氣不足。

23李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering取一經(jīng)驗數(shù)據(jù)(ws)2=90m/h，（經(jīng)驗取值）這樣可以接受的VVM數(shù)值確定了通氣量!!!24李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering3求(Pg)2，N2設(shè)KLa＝const(以KLa為常數(shù)放大)1)求(KLa)125李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering26李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering所以無通氣的攪拌功率為上式在DT/Di=3,HL/DT=1.5比例下得出27李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering校正1：幾何形狀校正校正2：攪拌槳層數(shù)校正所以無通氣攪拌功率為28李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering有通氣時，所以可見，功率消耗只有無通氣時的35％。（0.0574KW）Michel經(jīng)驗式29李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering已知(ws)1=33.75m/h，所以

多層攪拌槳的KLa求取經(jīng)驗公式30李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)BiochemicalEngineering2）求(Pg)2

與N2Michel經(jīng)驗式31李強(qiáng)

化工系生化所抗體與生物催化工程實(shí)驗室生物化學(xué)工程基礎(chǔ)Biochemic